Vorlesung 13 + 14

mengenmäßig zweitwichtigster Minderalstoff

700g, fast ausschließlich als Phosphat

ca 85% befinden sich in Skelett und Zähnen als Hydroxylapatit

über Stuhl und Harn

Regulation indirekt über die Regulation der Calcium-Konzentration

Baustein von Knochen und Zähnen

Bestandteil von Zellmembranen

Bestandteil von Nukleotiden

Zentrale Rolle im Energiestoffwechsel, Aktivierung von Enzymen

Beteiligt an der Stoffwechselregulation

Beteiligt am Säure-Basen-Haushalt

Ein alimentärer Mangel bei Menschen nicht bekannt

Mögliche Ursachen: Malabsorption (chronisch entzündliche Darmerkrankungen, chronischer Alkoholkonsum, starker Vitamin D-Mangel)

Speicher von Phosphor

Kann Phosphor freisetzen, wenn Pflanze es benötigt

Beim Erhitzen und im Magen geht diese verloren

50-60 %

Tierische Quelle besser

Aktivierung / Inhibierung von Enzymen

Calciumaufnahme wird vermindert, wenn zu viel Phosphor aufgenommen wird

Menschen nehmen generell schon zu viel Phosphor und zu wenig Calcium auf

Konzentration freies Calcium sinkt

Freisetzung von Parathormon wird stimuliert

• Vermehrt Phosphat ausgeschieden über Niere

• Vermehrt Calcium rückresorbiert

Verminderung des aktiven Vitamin D

• Weniger Phosphor absorbiert

• Phosphor Spiegel fällt wieder ab

700 mg

In der Jugend und bei Schwangeren und Stillenden ist der Bedarf erhöht

Milch / Milchprodukte - Käse

Weizenkeime / Weizenkleie

• Verwertung allerdings niedrig

Fleisch / Fisch

Phosphorsäure als Zusatzstoff auch oft in Nahrungsmitteln

25g, vorliegend als Mg2+, als freies Ion oder als Komplex

Ca 65% befinden sich im Skelett, teilweise mobilisierbar

Hohe intrazelluläre / niedrige extrazelluläre Konzentration

variabel

• 30-60%, abhängig vom Vorhandensein von Komplexoren (Anionen - Oxalsäure oder Phytinsäure

Ausscheidung über Stuhl und Harn, Schweiß

Co Faktor von vielen Enzymen, vor allem im Energiestoffwechsel

Antagonist zum Calcium

• Aktivierung von Calciumkanälen, Aktivierung von Kaliumkanälen

Beteiligt an Transportprozessen (NA-K-ATPase, Ca-ATPase)

Beteiligt an der neuromuskulären Erregbarkeit

Beteiligt an Syntheseprozessen

Neuromuskuläre Übererregbarkeit (Muskelspasmen, -Krämpfe)

Kardiovaskuläre Symptome (Hypertonie, Arrhytmien)

intrazellulär deutlich höher (340 mmol) als extrazellulär (10 mmol)

ca 300 - 350 geschlechtsabhängig

Nüsse

Keime, Weizenkleie

• Verwertung aber wieder schlechter

Pflanzen besser als tierische Quellen

• Tierische enthalten wenig Magnesium

In Brausetabletten - Magnesiumoxid

• 70% Absorption

Magnesium aus anorganischen / organischen Verbindungen

• 120-140% Absorption

70-100g

Einwertiges Kation in freier Form

• Absorptionsrate nahezu 100% - wenig beeinflussbar

Hohe extrazelluläre (140 mmol), niedrige intrazelluläre (10 mmol) Konzentration; Konzentration im Plasma sehr konstant

Ausscheidung über den Harn

Extrazelluläre osmotische Aktivität (Volumenregulation, Blutdruck, Wasserbilanz)

Säure-Basen-Haushalt

Neurale Funktionen (Erregungsbildung und -weiterleitung)

Störungen des Wasserhaushalts (Blutdruckabfall)

Zentralnervöse Symptome (Kopfschmerz, Erbrechen, Bewusstseinsstörungen, Krämpfe)

Mögliche Ursachen: Durchfälle, Erbrechen, starkes Schwitzen bei fehlender Natriumzufuhr

führt zum Anstieg des Blutdrucks

• Ca 40% der Hypertoniker sind salzsensitiv

Bowmansche Kapsel

• Glomerulus

Natrium rückresorption ins Blut

550 mg

Natrium-Verlust über den Schweiß kann bei 700-2000 mg/l liegen

• Erhöhter Natrium Bedarf!

Die meisten Lebensmittel, vor allem pflanzliche, sind von Natur aus sehr arm an Natrium

Überwiegende Anteil des Natriums in der Nahrung entstammt der Zugabe von Kochsalz in der Herstellung, Verarbeitung oder Zubereitung der Lebensmittel

100 - 150g

Einwertiges Kation, in freier Form - 98% intrazellulär

Konzentration im Plasma relativ konstant (3,5 - 4,5 mmol/L)

Regulation über NA-K-ATPase, Ausscheidung über den Harn

Absorptionsrate nahe bei 100%, wenig beeinflussbar

Intrazelluläre osmotische Aktivität (Regulation des Zellvolumens)

Beteiligt an der neuromuskulären Erregbarkeit (besonders Herzmuskel)

Verursacht durch Einnahme von Laxanzien, Diuretika, chronische Durchfälle, chronisches Erbrechen

Muskelschwäche, Obstipation, Paresen, Herzrhythmusstörungen, Kammerflimmern

Verursacht durch

• Niereninsuffizienz (auf Ebene der glomerulären Filtration)

• Freisetzung von Kalium aus dem Intrazellulärraum (metabolische Azidose, Hämolyse (Platzen roter Blutkörperchen) zB bei Schlangengiften, schwere Infektionen, starke körperliche Aktivität)

• Aldosteron-Antagonisten - Aldosteron wird blockiert: verstärkte Natriumausscheidung + Kalium Rückresorption

Muskelschwäche, Obstipation, Paresen, Reflexsteigerung, Herzrhythmusstörungen bis Kammerflimmern

2000 mg

Pflanzen (Früchte, Gemüse, Pilze)

Fleisch / Fisch nicht so reich, trägt aber ebenfalls bei

spezifische biochemische Funktion bekannt

• Bedarf relativ gut untersucht / Mangelerscheinungen können auftreten

• ZB Eisen, Kupfer, Zink, Selen, Mangan, Jod

  • Eisen, Zink, Selen und Jod treten in Praxis Mangel auf

Spezifische Funktion weitgehend unbekannt (Ultra-Spurenelemente)

• Sehr geringer Bedarf

• Ausreichende Gehalte in der Nahrung

• ZB Sizilium, Blei, Zinn, Lithium

Überwiegend Metalle der Übergangsgruppen im Periodensystem

Funktionen überwiegend als Bestandteile oder Aktivatoren von Enzymen

Hohe Affinität zur Bindung an organische Liganden

Starke Beeinflussung der Absorption durch andere Nahrungsbestandteile

Starke Affinität der Bindung an spezifische und unspezifische Proteine - geringe Konzentrationen in freier Form

Relative enge Spanne des Bereichs zwischen Bedarf und Toxizität

Interaktionen mit anderen Spurenelementen bei der Absorption und im Stoffwechsel

Coeruloplasmin

Transcuprein

Zink

Mangan

Jod

niedrig und variabel

Matrix der Nahrung

Art der chemischen Bindung des Elements

Anwesenheit anderer Elemente - Konkurrenz um Transportsysteme

PH-Wert und Redoxstatus im GIT

Anwesenheit von Komplexbildnern (Phytinsäure, Oxalsäure, Lignin)

Physiologische Faktoren

• Alter (Absorptionsrate abnehmend)

• Versorgungslage (bei Mangel ist Absorptionsrate gesteigert)

• Physiologisches Stadium (wenn erhöhter Bedarf, dann Absorptionsrate gesteigert)

  • Wachstum

  • Schwangerschaft

  • Stillzeit

bei Männern 60 mg

Freies Eisen

• Dreiwertig (meist in Pflanzen) oder zweiwertig

• Zweiwertiges: Absorption über DMT1

• Dreiwertiges: muss erst zu zweiwertigem reduziert werden

  • Durch Cystein oder Ascorbinsäure oder Magensäure

• Nur freies Eisen kann absorbiert werden - wenn an Liganden gebunden, funktioniert es nicht mehr (1/5 kann meist nur absorbiert werden)

• Transporter meist noch andere Spurenelemente - stehen alle in Konkurrenz zueinander

Hämeisen

• Eisen als Bestandteil von Häm (Hämoglobin und Myoglobin - Blut und Muskel)

• Interagiert nicht mit anderen Liganden, da schon an Häm gebunden

• Verwertung deutlich effektiver als freies Eisen

• Hämeisen in Zelle durch Lysosomen gedingst, damit Eisen in freier Form vorliegt

In Zelle weiter:

• Eisen bindet an Apoferritin

  • Eisen wird in Dünndarmzelle gespeichert

• Eisen bindet an zelluläres Transferrin und geht über Ferroportin

  • Eisen wird ins Blut abgegeben

• Ob Speicher oder ins Blut hängt ab vom Eisenstatus in Leber

  • Wenn hoch: Hepcidin aus der Leber in Dünndarm und sorgt für Abbau von Ferroportin - Eisen kann nicht ins Blut und wird in Dünndarmzelle gespeichert

  • Wenn niedrig: bindet in Blut an Transferrin und wird verteilt

Am meisten: Knochenmark

• Da hier rote Blutkörperchen gebildet werden

• Täglich 20-24 mg werden hier benötigt

• Bei Abbau roter Blutkörperchen geht Eisen in die Leber und wird dann wieder freigegeben

Unfälle, Menstruation

• 0,5 mg Eisen pro Milliliter Blut

  • 4-20 mg Eisen pro Menstruationszyklus

Funktionelle Komponente (deutlich mehr)

• Hämoglobin

Zweitmeiste im Speicher

• Ferritin

Sauerstofftransport und -speicherung

Elektronentransport

Oxidation und Redukation von Substraten

• ZB Monooxygenasen im Aminosäurestoffwechsel oder Fettsäuredesaturasen

12-15 mg

Kleine Kinder auch bereits 8-10 mg

Schwangere 30 mg

Plasma-Ferritin

30-200 Mikrogramm/Liter

Hämoglobin und Hämatokrit fallen erst ab, wenn die Speicher schon komplett leer sind

Anämie (mykrozytäre hypochrome Anämie)

Gestörte Thermoregulation

Gestörte Immunfunktion, erhöhte Infektanfälligkeit

Psychische Störungen

Verminderte körperliche Leistungsfähigkeit

Erschöpfungszustände

Glossitis, Stomatitis (Rachenraum entzündet)

Brüchige Fingernägel

Alpezie (Haarausfall)

Gestörter Fremdstoffabbau

Gesteigerte Insulinsensitivität (weiterführend zu Hypoglykämie)

Fleisch

Wenig auch in Milch oder Vollkornprodukten

zweiwertige Eisensalze

• Eisensulfat, Eisenfumarat, Eisen-Gluconat

Dosierung: 50-100 mg pro Einnahme nüchtern und zusammen mit Vitamin C oder Fruchtsaft (verbessert Verträglichkeit)

Brausetabletten: Eisen + Vitamin C

• Wenn Speicher leer, aber keine Anämie

Hämochromatosen

• Durch fehlregulierte Eisenabsorption (Eisenabsorption gesteigert durch geringeren Einbau von Eisen in Ferritin)

Nicht durch zu hohe Eisenaufnahme hervorgerufen

Genetisch bedingt vorwiegend bei Männern

Eisenbindungskapazität überschritten

Freies Eisen stimuliert die Bildung von Hydroxylradikalen (aggressivste Radikale)

• Schädigen und zerstören alle Gewebe

  • Leber: Zirrhose

  • Pankreas: Diabetes

  • Gelenke: Arthritis

  • Herz: Kardiomyopathie

  • Hoden: Sterilität

  • Haut: Pigmentierung

Bei rechtzeitiger Behandlung völlig unproblematisch - unbehandelt tödlich

Regelmäßige Aderlässe (250mg Eisen / Aderlass)

• Ähnlich Blutspende

Zink über Transporter (DMT1) in Mukosazelle

• Gleicher Transporter wie Eisen - Antagonismus zwischen Eisen und Zink

In Dünndarmzelle an Proteine gebunden - kommt nicht in freier Form in Mukosazelle vor

• An zyteinreiches intertionales Protein (CRIP)

• An (Metallo-)Thionein - schwefelhaltig

Wenn ins Blut abgegeben, dann wird es an Albumin gebunden

Aufnahme über Nahrung 6-14 mg

2-5mg werden absorbiert in Mukosa

• Andere Teil wird gebunden an Metallionen

  • Phytinsäure bindet an Zink und bildet unlösliche Komplexe - kann nicht absorbiert werden

Haut & Haare sind reich an Zink

• Hautläsionen, unreine Haut - erste bei der Zinkmangel bemerkbar wird

Zinsverluste über Haut, Haare (Schuppen) und Schweiß

In Schwangerschaft ist Bedarf erhöht

Phytat

Ballaststoffe

Eisen

Kupfer

Calcium

Cadmium

Tierisches Protein

verarbeitete Lebensmittel mit geringem Faser- und Phytatgehalt

Proteinzufuhr überwiegend aus tierischen Quellen

Mischkost mit tierischem Protein (Fleisch, Fisch)

Ernährung, bei der mindestens 50% der Energiezufuhr durch Phytatreiche Lebensmittel gedeckt wird

Ernährung, die sehr reich an Calcium ist

junge Männer, besonders Ausdauersportler

• 70 % niedrige Zinkspiegel

• Grund: Sperma, Schweiß, Kohlenhydratreichekost mit hohem Anteil an Getreideprodukten

Elektrostatische Kräfte

Phytinsäure negative Anteile

Zink, Eisen 2+

Bestandteil von 300 Enzymen

Synthese und Abbau von Proteinen, Kohlenhydraten, Fetten, Nukleinsäuren

Synthese und Sekretion von Hormonen (Insulin, Wachstumshormon)

Wachstum

Zellteilung

Sexuelle Entwicklung / Reifung

Fertilität / Reproduktion

Immunabwehr

Nachtsehen

• Retinol - Retinal (Zink greift in Vitamin A Stoffwechsel ein)

Geschmack

Appetitempfinden

Nicht zum Valenzwechsel geeignet (Redox-Reaktionen) wie Eisen

10 / 7

• Männer / Frauen

Zufuhr liegt im Mittel leicht drüber

erhöhter Bedarf

• Schwangerschaft/Stillzeit

• Schnelles Wachstum in Kindheit

Erniedrigte Zufuhr

• Inadäquate Diät, Alkoholismus

• Vegetarismus, zerealienlastige Ernährung

Malabsorption

• Entzündliche Darmerkrankungen, Zöliakie

  • Collitis Euzerosa (Dickdarm)

  • Morbus Chron (Dünndarm)

Erhöhte Verluste

• Durchfälle, Sperma, Schweiß

Mild bis moderat (Plasma-Zink unter 0,65 mg/dl) / Stark (unter 0,5 mg/dl)

• Keine dauerhaften Schäden - schnelle Erholung nach Supplementierung

Geschwächtes Immunsystem / Gestörte Immunfunktion

Gestörter Geschmacks- und Geruchssinn

Wundheilungsstörungen

Nachtblindheit

Verminderte Spermienproduktion

Gedächtnisstörungen

Depressionen / Psychische Störungen

Durchfälle

Verzögerte Skelettentwicklung

Hautläsionen

Schrumpfung Hoden

Vergrößerte Leber / Milz

50 % des Jodbestandes in der Schilddrüse: Bestandteil T3 und T4 (Thyroxin)

Funktion der Schilddrüsenhormone: steigern Grundumsatz, Gehirnentwicklung und Knochenumsatz, erhöhen die Herzkraft und -Frequenz und stimulieren Energiegewinnungsprozesse

vor allem im proximalen Dünndarm

Vorwiegend als Jodid über Cl-/Bicarbonat-Austauscher in der Bürstensaummembran und parazellulär durch solvent Drag; teilweise organisch gebunden

Absorptionsrate 90%

• J-

• Einwertiges Anion

• Bildet keine Komplexe, daher nahezu vollständige Absorption

Erhöhte TSH-Spiegel

Kropf (Struma) - Förderung durch goitrogene / struminogene Substanzen

• Transporter für Jod wird gehemmt durch Substanzen

Schilddrüsenunterfunktion (Hypothyreose)

Senkung des Grundumsatzes, Störungen im Knochenwachstum und der Reproduktion

180-200 Mikrogramm

Schwangere: 230, Stillende 260

Seefische (Meeresfische) (Kabeljau, Seelachs)

• Meerwasser = Salzwasser, reich an Jod

Algen

jodiertes Speisesalz

nein, da überhöhte Zufuhren über die Niere ausgeschieden werden

Produktion reguliert über Hypothalamus und Hypophyse

Wenn Konzentration zu niedrig - Hinweis von Hypothalamus (Releasing Hormon - an Hypophyse, diese bildet TSH - wird ins Blut abgegeben und von Schilddrüse aufgenommen) an Schilddrüse, dass sie mehr produziert

TSH Spiegel relativ niedrig, wenn genügend Schilddrüsenhormone gebildet

Wenn Jod fehlt: immer mehr TSH gebildet, allerdings kann Schilddrüse keine Schilddrüsenhormone bilden

• Hyperplasie: Schilddrüsenzellen teilen sich

  • Kropf / Struma

Nahrungsjod wird komplett absorbiert

Gelangt in einen Pool im Blut und Extrazellulärraum

Über Natrium-Jodid Symporter in Schilddrüse

eingebaut in Tyrosinreste

• Wird zu T4 Thyreoglobulin

• Das in Blut abgegeben und an Proteine gebunden

• Von Zielzellen aufgenommen - T4 überführt zu T3

  • Das ist biologisch aktive Schilddrüsenhormon

• Erhöhung des Grundumsatzes

Abbau von T3 - Jod landet wieder im Pool

Ausscheidung über die Niere

Grundumsatz + Wärmeproduktion ist gesteigert

Herzfrequenz + Blutdruck erhöht

Behandlung

• Natrium-Jodid Symporter wird gehemmt durch Thyriostatika

Hypothalamus sendet Signal an Hypophyse

Hypophyse bildet TSH

TSH stimuliert Schilddrüse T4 zu bilden

T4 zu peripheren Zielzellen

In Zielzellen wird daraus aktive T3 gebildet

nein, an Proteine gebunden

Bestandteil von Selenproteinen

• Glutathionperoxidasen

  • Bauen Peroxide ab

  • Baut Lipidperoxide ab (Stoffe die bei Oxidation ungesättigter Fettsäuren entstehen)

  • Wichtig zum Schutz vor Oxidation

• Dejodasen

  • Jod wichtig bei Umwandlung T4 zu T3

Antioxidantien Schutzsystem

Bildung von T3

Immunmodulation

Entzündungshemmung

Fruchtbarkeit

Prävention von Krebs

vor allem im proximalen Dünndarm

Vor allem als Selenomethionin, in geringerem Umfang als Selenocystein über Natrium-abhängigen Transport für neutrale Aminosäuren; Absorptionsrate entspricht der der Aminosäuren

• Aminosäuren

• Methionin und Cystein enthalten Schwefel - Schwefelatom ist hier ausgetauscht durch Selenatom

Supplementierung meist in Form von Selenit oder Selenat (anorganische Formen)

• Selenit: Reduktion zu Selenid

• Selenat: Resorption durch Na-Cotransport

30-70 Mikrogramm / d

Fleisch

Fisch

Hühnereier

Toxizität bei höheren Dosen möglich (> 800 Mikrogramm / d)

Marginal

• Muskuläre Schwäche, Muskelabbau, chronische Entzündung

Manifest

• Keshan-Disease

  • Geht aufs Herz

• Kardiomyopathie

• Herzinsuffizienz

• Kashin-Beck Disease: Osteoarthritis

  • Arthritis im Bereich der Knochen

Selengehalte in Böden in China / Korea sehr selenarm, daher häufig Mangelsymptome

Nahrungsselen zu 50-90% in die Mukosa absorbiert

Durch Carrier-vermittelte und Diffusion in Plasma

Dort in Selenoaminosäuren eingebaut

Von da in verschiedene Gewebe eingebaut

Leber

Niere

Milz

Zähne

Nägel, Haare

proteinreiche Lebensmittel

• Fisch, Fleisch

20 Mikrogramm

• Untere Grenze - Kardiomyopathie

400 Mikrogramm

• Oberer sicherer Bereich

800 Mikrogramm

• Beginn chronischer Selenvergiftung

3000 Mikrogramm

• Intoxikation

70000 Mikrogramm

• 50 % sterben

Bestandteil katalytischer Zentren von Hephaestin bzw Coreuloplasmin (Ferrooxidase)

• Kupfermangel führt zu Eisenmangel

Bestandteil von Metalloenzymen

• Cytochrom-c-Oxidase, Lysyloxidase, Monoaminooxidase)

Versorgung gut

im proximalen Dünndarm

Beteiligte Resorptionssysteme entsprechen dem der Eisenresorption

Bindung an cytoplasmatisches Speicherprotein: Metallothionein

Resorptionshemmend: Phytinsäure, Tannine, Hemicellulosen, Lignin, Überschüsse an Ca und anderen Kationen

Fördernd: Citrat, Laktat, Malat

ausschlielich bei der Ausscheidung (biliär)

1,0 - 1,5 mg/d

Fische

Schalentiere

Nüsse

Kakao

Schokolade

Kaffee

Tee

Grünes Gemüse

Eisenverwertungsstörung

Strukturveränderung der Haare

Erhöhte Brüchigkeit des Skeletts

Pigmentbildungsstörung

Redoxreaktionen

Ceruloplasmin (Ferroxidase)

• 2-wertiges Eisen zu 3-wertigem Eisen oxidiert

Cytochrom-C-Oxidase

• Atmungskette, letzte Reaktion - bei Gewinnung ATP

Dopamin-Beta-Hydroxylase

• Abbau von Dopamin

Lysyloxidase

• Lysin wird oxidiert

Superoxiddismutase

• Superoxidanionen werden abgebaut

• Superoxidanionen = O2- mit Punkt (Radikal), entstehen als Nebenreaktion in der Atmungskette

• Zink, Mangan und Kupfer sind beteiligt

Leber

Hülsenfrüchte

Roggenvollkornbrot

Nüsse

Pilze

Käse

Kupfertoxizität

• Übelkeit und Erbrechen

• Bauchschmerzen und Durchfall

• Kopfschmerzen und Fieber

• In schweren Fällen: Nierenversagen

Zweiwertiges Kation

Bestandteil oder Aktivator von mehr als 60 Enzymen

• Pyruvat-Carboxylase

  • Gluconeogenese Schlüsselenzym

• Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase

  • Gluconeogenese

• Arginase

  • Arginin

• MN-Abhängige SOD

  • Superoxiddismutase

im proximalen Dünndarm

Beteiligte Resorptionssysteme entsprechen dem der Eisenresorption

Bindung an cytoplasmatisches Speicherprotein: Metallothionein

Resorptionshemmend: Phytinsäure, Tannine, Hemicellulose, Lignin, Überschuss an Ca und Mg, Fe

2-5 mg / d

pflanzliche Lebensmittel

• Lauch, Kopfsalat, Erdbeeren, Getreide, Haferflocken

Aufnahme über Nahrung

Absorption in Mukosa

Mangan ins Blut abgegeben - dort gebunden an Albumin

Dann in die Leber - dort werden Enzyme gebildet

Liegt im Plasma vor - gebunden an Transferrin

Dann in Zellen aufgenommen

Vermindertes Wachstum

Knochendeformationen

Gerinnungsstörungen

Neurologische Störungen

Verringerte Fruchtbarkeit